《Materials & Design》：Machining-induced surface integrity and early cellular response in anisotropic cortical bone
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机械加工决定了骨科和牙科手术中暴露的皮质骨的最终表面状态，直接连接了材料去除力学与涉及早期愈合和植入物整合的生物界面。与工程化植入物表面不同，外科加工的骨表面是在时间、通路、解剖结构和刀具运动等限制条件下术中生成的。其最终形貌不仅是所选切削参数的后果，也是皮质
机械加工决定了骨科和牙科手术中暴露的皮质骨的最终表面状态，直接连接了材料去除力学与涉及早期愈合和植入物整合的生物界面。与工程化植入物表面不同，外科加工的骨表面是在时间、通路、解剖结构和刀具运动等限制条件下术中生成的。其最终形貌不仅是所选切削参数的后果，也是皮质骨层级和各向异性结构的结果。因此，理解加工条件如何产生生物学相关的骨表面状态对于改善外科表面准备和支持早期骨再生至关重要。皮质骨因其层级和各向异性结构而呈现出特殊的加工挑战。骨单位、间质板层、哈弗氏管和粘合线形成了力学上不同的区域，促进了方向依赖的变形、裂纹偏转、板层间分离和断裂。因此，相同的切削参数会根据刀具路径相对于骨单位轴的方向而产生不同的表面形态。可区分三种主要的切削方向：平行于骨单位轴、横跨骨单位轴和垂直于骨单位轴。每个方向向切削刃呈现不同的骨单位和界面排列，从而改变了切屑形成、裂纹扩展、管道暴露、材料拔出、碎屑生成以及最终的表面完整性。骨单位取向的影响可以通过一种加工配置最直接地检验，在该配置中，相对于骨单位轴的标称刀具路径可以被规定。侧铣与骨切开术、轮廓成形和植入物部位准备特别相关，因为其侧向切削作用生成了延伸的平面或圆柱形骨表面，其形貌直接影响骨-植入物和骨-细胞界面。一个相关的侧向接触机制发生在轨道钻孔中，其中圆柱壁主要由刀具后刀面生成，并且与传统的轴向钻孔相比，报告了更少的加工诱导损伤。因此，侧铣提供了一个受控框架来研究切削方向、皮质骨各向异性和由此产生的表面完整性之间的关系。在此框架内，每齿进给量代表了第二个重要变量，因为它控制着每个切削刃的推进并影响未变形切屑厚度。在侧铣中，主轴转速和进给速度与切削速度、刀具直径、齿数和每齿进给量相关。从机械铣削的角度来看，基本切向切削力可以表示为。对于常规铣削运动学，；因此，对于给定的刀具接触和材料条件，增加增加了标称未变形切屑厚度，因此预计会增加材料去除过程中施加的机械载荷。这种关系也在皮质骨铣削中被实验观察到，其中进给速度显著影响了测量的铣削力。在皮质骨中，增加的切屑载荷的效果进一步受到其异质和各向异性微观结构的影响。增加未变形切屑厚度与从剪切切割向剪切-裂纹切割和断裂-切割机制的转变有关，这为在更高下观察到的更大断裂相关损伤提供了机理基础。与此机制一致，皮质骨铣削的实验研究表明，进给显著影响铣削力、表面粗糙度和由此产生的表面形态。研究还表明，切削速度对表面生成的影响不太一致，并且取决于研究的范围和加工配置。断裂相关损伤的程度进一步受到骨单位结构取向的影响，横向切削通常产生更大的表面破坏和较不稳定的材料去除。最近的热机械建模已经证明，骨加工条件会产生耦合的机械和热场，而实验研究表明，外部生理盐水冲洗可以减少骨加工过程中的温度升高。尽管如此，大多数先前的研究主要从切削力、温度、损伤最小化或平均粗糙度的角度评估加工过的骨表面。相对较少关注由此产生的加工诱导表面状态是否与随后的生物学反应相关联。解决这个问题需要一个功能表面框架，将加工输入与所生成界面的物理状态联系起来。在铣削过程中，和切削刃接触影响局部未变形切屑厚度和机械载荷，而相对于材料微观结构的刀具路径决定了在材料去除过程中哪些结构界面被交叉。刀具几何形状和切削刃状况可以进一步影响接触力学和表面生成的再现性。最近的工作表明，相对于各向异性微观结构的加工方向可以改变织构演变以及由此产生的表面和亚表面状态。其他研究也检查了纵扭超声强化用于控制加工齿轮的表面形态和粗糙度。尽管这些研究涉及增材制造钢和齿轮，但它们证明了与本研究工作相关的更广泛的过程-各向异性-表面完整性关系。在皮质骨中，这种关系因骨单位结构而复杂化，因为切削刃与骨单位、粘合线和血管管的相互作用产生了方向依赖的沟槽、峰、谷、断裂板层、暴露管道、拔出空腔和残留碎屑的组合。这些特征定义了所生成界面的形貌和微观结构状态，并可能随后影响蛋白质吸附、粘着斑形成、细胞骨架组织和机械转导信号传导。因此，表面完整性不仅必须通过粗糙度幅度来描述，还必须通过峰和谷的分布以及潜在的微观结构损伤来描述。这种区别很重要，因为表面形貌的生物学效应并非仅由粗糙度幅度决定。关于工程化生物材料的研究表明，表面特征可以影响蛋白质吸附、细胞粘附、细胞骨架组织、增殖、分化和骨整合。诸如算术平均高度和均方根高度等面积参数描述了粗糙度幅度，而偏斜度和陡峭度则提供了关于高度分布不对称性以及极端峰或谷普遍性的信息。中等粗糙的表面和平衡的峰-谷分布通常与工程化植入物材料上有利的生物学反应相关联。最近的研究表明，可控的微米和纳米尺度形貌可以促进钛支架上的细胞粘附和成骨反应，并且加工引起的粗糙度、形态和润湿性的变化影响加工钛表面上成骨细胞的附着。相反，一些纳米结构表面已被证明会阻碍成骨细胞粘附。这些发现表明，形貌与细胞反应之间的关系既非普遍积极也非单调。此外，从工程化钛表面获得的结论不能直接转移到加工的皮质骨上，因为后者在成分、暴露的生物学结构、断裂行为和碎屑形成方面有所不同。人间充质干细胞与早期骨修复相关，因为它们的附着、铺展、增殖和分化对周围界面的物理和生化特性敏感。在加工的皮质骨上，适度的沟槽和暴露的骨单位特征可能提供初始锚定位点，而广泛的断裂、深腔、不稳定碎屑和高度不规则的高度分布可能限制细胞铺展或产生异质的局部环境。尽管存在这种潜在关系，但尚不清楚和如何共同决定皮质骨的表面纹理和微观结构损伤，以及由此产生的表面状态是否与早期hMSC反应的差异相关联。这种未解决的过程-结构-表面-细胞关系构成了本研究中解决的核心知识空白。因此，本研究调查了和对侧铣皮质骨表面完整性的耦合效应，并检查了生成的表面状态与早期hMSC反应之间的关联。与先前主要从机械或粗糙度降低角度评估骨加工质量的研究不同，这项工作将加工诱导的表面状态与早期的细胞-表面相互作用联系起来。其目的不是定义用于骨整合的通用粗糙度阈值，而是在测试的加工条件下识别与有利的早期hMSC反应相关的表面特征。为此，沿相对于骨单位轴的三个解剖方向进行了受控的侧铣实验：、、和。使用三维表面粗糙度参数（包括、、和）以及微观结构观察来表征表面形态。然后使用体外hMSC培养来评估由此产生的加工表面，以评估早期细胞反应。本研究的主要贡献是：建立加工参数（和）与加工皮质骨表面形貌和微观结构损伤之间的关系；量化骨单位取向如何影响表面生成机制，包括沟槽形成、开裂、骨单位暴露和谷底形成；提供初步证据表明早期hMSC代谢反应与可控的加工诱导形貌相关，特别是适度的粗糙度和平衡的高度分布参数，而非仅最低粗糙度。
论文解读文章
研究背景与问题
在骨科和牙科手术中，机械加工决定了暴露皮质骨的最终表面状态，直接影响早期愈合和植入物整合的生物界面。与可通过喷砂、蚀刻、涂层或增材制造有意改性的工程化植入物表面不同，外科加工的骨表面是在时间、通路、解剖结构和刀具运动等限制下术中生成的。其最终形貌不仅是所选切削参数的后果，更是皮质骨层级和各向异性结构的结果。皮质骨因其骨单位、间质板层、哈弗氏管和粘合线形成的力学不同区域，表现出方向依赖的变形、裂纹偏转和断裂行为，使得相同切削参数会因刀具路径相对于骨单位轴的方向不同而产生截然不同的表面形态。
目前存在的主要问题是：大多数先前研究主要从切削力、温度、损伤最小化或平均粗糙度的角度评估加工骨表面，而较少关注加工诱导的表面状态与随后生物学反应之间的关联。尽管已知中等粗糙度和平衡的峰-谷分布通常有利于工程化植入物材料上的细胞反应，但这些结论不能直接转移到加工的皮质骨上。因此，本研究旨在填补这一核心知识空白，即探究每齿进给量和切削方向如何共同决定皮质骨的表面纹理和微观结构损伤，以及由此产生的表面状态是否与早期人骨髓间充质干细胞的反应存在关联。
研究概述与结论
研究人员通过受控的侧铣实验，沿平行、横跨和垂直于骨单位轴三个解剖方向加工牛皮质骨，系统研究了每齿进给量（0.02、0.06、0.10 mm/th）和切削方向对表面完整性的影响，并通过体外hMSC培养评估了加工表面的早期细胞响应。研究得出以下主要结论：每齿进给量和切削方向共同控制了加工皮质骨的表面完整性；横向切削在所有条件下产生最严重的表面退化和损伤主导的表面状态；低进给横跨切削条件下获得了第21天最强的细胞代谢活性响应；适度的粗糙度和平衡的高度分布参数（接近零的偏斜度和接近3的陡峭度）与更有利的早期hMSC反应相关联，而非单纯追求最低粗糙度。
关键技术方法
研究人员采用以下主要技术方法：使用5轴CNC加工中心（DMG DMU 85 eVo）进行侧铣实验，采用固体硬质合金立铣刀（直径6 mm，4刃，30°螺旋角），在充足生理盐水冲洗下进行加工；使用Taguchi L9正交阵列设计实验，每种条件四次重复；利用激光扫描共聚焦显微镜（LSCM，LEXT OLS5100）获取三维表面形貌数据，依据ISO 25178标准提取Sa、Sq、Ssk、Sku四个表面纹理参数；使用台式扫描电子显微镜（SEM，Hitachi TM3000）观察微观结构损伤；通过Alamar Blue法在7、14、21天评估hMSC代谢活性，并在第21天进行SEM固定观察细胞形态。样本来源于当地屠宰场24小时内采集的新鲜牛股骨中段骨干皮质骨。
研究结果
3.1 定量表面粗糙度分析：通过LSCM测量和ISO 25178参数分析发现，在所有切削方向上，Sa和Sq均随每齿进给量增加而增大。横向切削一般产生最高的Sa和Sq值，而平行切削产生最低值。Ssk从低进给时的近零或略正值向高进给时的显著负值转变，表明表面从峰主导转向谷主导。Sku在高进给时显著升高，尤其在横向和横跨切削中，指示非高斯高度分布和尖锐孤立特征的存在。
3.2 3D表面形貌：三维形貌图显示，低进给时平行和横跨切削表面相对光滑，沟槽浅；随着进给增加，沟槽加深且更清晰。横向切削表面在高进给时表现出明显的形态退化，包括不规则空腔、深谷和破坏的表面特征，对应了高度负值的Ssk和升高的Sku。研究指出，高进给不仅增加平均粗糙度，更从根本上改变了表面统计性质，从规则刀具痕迹形态转变为不规则、损伤主导的形貌。
3.3 微观结构损伤分析：SEM和共聚焦显微镜观察表明，平行切削损伤最有限，裂纹沿骨单位方向扩展，表现为韧带桥接辅助的延性断裂模式。横跨切削产生更异质的损伤，包括间质板层断裂、粘合线破坏和哈弗氏管暴露，高进给时出现坑状缺陷和骨单位撕裂。横向切削产生最严重的表面退化，切削刃横切骨单位截面，导致脆性断裂、骨单位拔出和不规则裂纹传播，高进给时裂纹优先沿粘合线扩展形成宽空腔和尖锐边缘空洞。
3.4 表面粗糙度参数统计分析：双因素一般线性模型方差分析显示，每齿进给量和切削方向对所有表面参数均有统计学显著影响（p<0.001），两者交互作用也显著。交互作用图表明，横向和横跨切削在高进给时Sku急剧上升，反映断裂相关表面特征的加剧。平行切削的参数变异范围最窄，表明表面生成更一致。
讨论与结论
讨论部分指出，表面完整性必须超越粗糙度幅度描述，结合高度分布参数（Ssk和Sku）和微观结构损伤观察才能全面刻画加工骨表面状态。研究发现，低进给横跨切削条件（fz=0.02 mm/th，CD=Across）在第21天产生了最高的hMSC代谢活性，该条件下的表面特征为适度粗糙度（Sa约0.82 μm）、接近零的Ssk（约-0.50）和接近3的Sku（约3.30），代表了相对平衡的峰-谷分布。相比之下，虽然平行切削表面粗糙度最低，但其细胞响应并非最优，表明并非最低粗糙度最有利于细胞响应。横向切削尽管在低进给时具有中等粗糙度，但高负Ssk和高Sku指示的损伤主导表面状态导致了较低的细胞活性。这些结果表明，加工诱导的表面形貌，特别是适度的粗糙度和平衡的高度分布，可能与更有利的早期hMSC反应相关联。
研究结论总结如下：皮质骨各向异性主导了铣削诱导的表面完整性；较高的每齿进给量增加了粗糙度和断裂相关损伤；横向铣削产生最严重的损伤主导表面状态；低进给横跨铣削在第21天产生了最强的细胞响应。研究同时指出了局限性：中间进给水平（0.06 mm/th）未进行生物学评价；切削力未被直接测量；仅评估了早期细胞代谢活性，未进行分化或矿化分析；使用的是牛骨替代模型而非人体骨组织。
